Американские физики создали фотокатод из монокристалла меди, яркость излучения которого в четыре раза превышает существующие аналоги. Для этого его охладили до температуры в 35 кельвин и облучали фотонам с длинами волн, близкими к порогу фотоэмиссии. Кроме того, ширина спектра излучения поверхности оказалось равной всего 11,5 миллиэлектронвольт, что на порядок меньше предыдущих результатов. Статья опубликована в Physical Review Letters.
Один из способов получения электронных пучков — фотоэмиссия — активно используется для лазеров на свободных электронах, сверхбыстрой электронной дифракции и микроскопии. Фотоэмиссия — процесс выбивания фотонами электронов с поверхности фотокатода. Такие электроны называются фотоэлектронами, их энергия определяется разностью энергии падающих фотонов и работой выхода катода E = ℏω - W. Если энергия фотона так мала, что эта разность стремится к нулю, то такой режим называется порогом фотоэмиссии.
Для активного использования подобных источников электронов в исследованиях необходимо, чтобы излучаемые ими пучки электронов были яркими — яркость источника показывает, насколько направленно вылетают электроны с поверхности источника. Если, к примеру, есть два источника, и один излучает сто электронов за секунду, которые разлетаются в разные стороны, а из второго те же сто электронов в секунду летят вдоль одной прямой, то яркость второго будет больше. Если ученым удастся научиться делать фотокатоды с высокой яркостью электронных пучков, то появится возможность изучать решетки кристаллов больших размеров и можно будет получать больше информации об их электронной структуре. Яркость пучка фотокатода обратно пропорциональна площади, с которой вылетают электроны, и средней энергии в поперечном сечении (МТЕ). Эта энергия эквивалентна температуре излученных фотоэлектронов, поэтому снижение температуры фотокатода приводит к увеличению яркости источника. Еще одной важной характеристикой фотокатодов является разброс электронов по энергиям. Чем он меньше, тем проще исследовать, например, очень быстрые колебания решетки.
У источников, которые используются (1, 2) сейчас, МТЕ составляет несколько сотен миллиэлектронвольт и в грубом приближении считается равной трети энергии электронов. На пороге генерации фотоэлектронов можно наблюдать более низкие значения МТЕ за счет того, что излучение происходит из «хвоста» распределения Ферми и МТЕ можно ограничить произведением постоянной Больцмана на температуру. В таком режиме при комнатной температура МТЕ не превышает 25 миллиэлектронвольт.
В 2015 году физики из Корнеллского университета показали, что при охлаждении фотокатодов до 90 кельвин на границе фотоэмиссии можно добиться значения МТЕ в 20 миллиэлектронвольт, в то время как теоретические расчеты предсказывали 7,5 миллиэлектронвольт при такой температуре. Дело в том, что поверхность катода неидеальна, она может быть шероховатой или неоднородной, а работа выхода электронов может колебаться во времени. Поэтому очень важно делать катоды из монокристаллов с упорядоченной атомарной структурой. Такие кристаллы еще удобны тем, что их значительно легче моделировать. Достаточно использовать простую модель, которая учитывает переход электронов из кристалла в вакуум и отлично согласуется с экспериментальными данными.
В новой работе американские физики под руководством Говарда Падморе (Howard Padmore) из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли при участии одного из авторов работы 2015 года использовали фотокатод из монокристалла меди Cu(100). Образец подготавливали ионным бомбардированием и отжигом в несколько циклов. Затем, на него направляли лазер слабой интенсивности, чтобы в каждом импульсе было не больше одного фотона. Вылетевшие с поверхности фотокатода электроны попадали в ускоряющее электрическое поле и направлялись на детектор. Исследователи измеряли время полета электронов и их отклонение от первоначальной траектории — этих данных достаточно, чтобы рассчитать МТЕ.
Наименьшее полученное значение МТЕ составило 5 миллиэлектронвольт при энергии фотонов 4,43 электронвольт. При это же энергии фотонов наблюдалось самое узкое распределение электронов по энергиям — меньше 11,5 миллиэлектронвольт.
Различные способы выращивания монокристаллов открывают большие возможности для исследований. Ранее корейские химики разработали технологию выращивания плоских металлических монокристаллов площадью до 32 квадратных сантиметров. Для этого был использован метод бесконтактного отжига в атмосфере водорода при температуре, близкой к температуре плавления металла.